Строительные свойства грунтов

Строительные свойства грунтов определяются их физико-механическими свойствами. Свойства грунтов неразрывно связаны  с их характеристиками, которые определяются действующими   нормами    и   стандартами.

Существенное влияние  на свойства нескальных грунтов оказывают  плотность и влажность грунтов.

Свойства пылевато-глинистых  грунтов находятся в большой  зависимости от влажности. Если в  талом грунте содержится только прочносвя-занная вода, то грунт находится в твердом состоянии. При наличии рыхлосвязанной воды грунт становится пластичным. При свободной воде в порах грунт переходит в текучее состояние.

Таким образом, при насыщении  водой пылевато-глинистый грунт  вначале размягчается, потом переходит  в пластичное и, наконец, текучее  состояние.

Пластичность — это  способность грунта деформироваться  под действием внешних усилий без разрыва сплошности и сохранять форму после прекращения действия этих усилий. Пылевато-глинистые грунты находятся в пластичном состоянии в определенном диапазоне влажности, границы которого называются пределами пластичности: w P—нийний предел пластичности (предел раскатывания) соответствует влажности, ниже которой грунт переходит в твердое состояние; wL— верхний предел пластичности (предел текучести) отвечает влажности, выше которой грунт переходит в текучее состояние.

Особенностью грунтов  как пористых тел является их способность  фильтровать воду. Фильтрация зависит  от степени уплотнения грунтов. Водопроницаемость  характеризуется коэффициентом  фильтрации К.

Основными пааметрами механических свойств грунтов являются прочность и деформационные характеристики грунтов: угол внутреннего трения ф, удельное сцепление с, модуль деформации Е и предел прочности на одноосное сжатие скальных грунтов Rc. 

Угол внутреннего трения — это угол, тангенс которого равен коэффициенту внутреннего  трения грунта.

Угол внутреннего трения ф для различных видов нескальных грунтов колеблется в следующих пределах: песчаных 25—43; пылевато-глинистых 7—30°.

Коэффициент внутреннего  трения — отношение приращения разрушающего касательного напряжения к соответствующему приращению нормального напряжения на поверхности сдвига.

Под сцеплением понимается сопротивление структурных связей всякому перемещению связываемых  ими частиц грунта. Сцепление присуще  пылевато-глинистым грунтам.

Сопротивление сдвиуу нескальных грунтов определяется силами трения и сцепления, величины которых зависят от вида грунта и его влажности.

Ориентировочные значения удельного  сцепления грунтов составляют: песчаных 0—0,08, пылевато-глинистых грунтов 0,05—1 кПа.

Прочность грунтов характеризуется  их способностью сопротивляться внешним   силовым воздействиям.

Оценка прочности скальных грунтов производится по пределу  прочности на одноосное сжатие Rc, а нескальных грунтов по их механическим прочностным характеристикам с и ср.

В строительстве в основном разрабатываются крупнообломочные песчаные и пылевато-глинистые грунты. На выбор технологии производства работ, трудоемкости и стоимости земляных, буровых и свайных работ оказывают  значительное влияние плотность, влажность, прочность, разрыхляемость, кусковатость и другие свойства. Некоторые их этих свойств были рассмотрены выше.

Влажность грунта оказывает  значительное влияние на способ разработки грунта и на способность грунтов  к уплотнению. В практике принято  грунты влажностью до 5% считать сухими (или маловлажными), свыше 30%— мокрыми, а от 5 до 30%— нормальной влажности. С повышением влажности до определенного  предела плотность грунта увеличивается. При дальнейшем увеличении влажности  плотность уменьшается.

Влажность, которая соответствует  наибольшей (оптимальной) плотности  грунта при наименьших затратах труда  на уплотнение, называется оптимальной  влажностью wonr-

Для повышения производительности машин, снижения трудоемкости работ, а  также повышения их качества (уплотнение грунта, устройство насыпей и др.) грунты доводят до оптимальной влажности, которая определяется гранулометрическим составом грунта.

При значительной влажности  пылевато-глинистых грунтов появляется липкость, которая усложняет выгрузку грунта из ковша или кузова машины, усложняет работу конвейера и  ухудшает условия передвижения машин  и транспорта.

Липкостью называют способность  грунтов при определении влажности  прилипать к поверхности различных  материалов. Липкость является отрицательным  свойством грунтов, а во всех необходимых  случаях требуется, оценивать грунт  с этой стороны. В количественной форме липкость выражают в кПа, измеряя  усилие, необходимое для отрыва прилипшей  пластинки к грунту.

Липкость грунтов обнаруживается обычно только в присутствии рыхло  связанной воды. По мере увеличения влажности липкость быстро растет и  достигает максимального значения, когда силы притяжения воды к грунтовым частицам и к предметам, соприкасающимся с ними, становятся одинаковыми. При дальнейшем увеличении влажности липкость резко уменьшается. Липкость связана с консистенцией грунта. Начало прилипания наблюдается при мягкоплас-тичной консистенции; при текуче-пластичной консистенции прилипание резко уменьшается.

Наибольшей прилипаемостью (0,04 0,1 МПа) отличается глинистая фракция. Поэтому с увеличением дисперсности грунтов липкость возрастает Увеличение давления рабочих органов землеройных машин на грунт вызывает повышение липкости.

Размокаемость представляет собой процесс полной или частичной утраты грунтом прочности под действием спокойной воды. Этот процесс характеризуется определенной продолжительностью, характером распада грунта и его конечной влажностью. Способность к размоканию понижается по мере перехода от мелких суглинков к глинам и от очень пористых к малопористым грунтам. Чем меньше исходная влажность, тем энергичнее происходит распад грунта. При естественном сложении грунт распадается медленнее, чем при нарушенном. О способности грунтов к размоканию необходимо знать при обеспечении устойчивости стенок и откосов котлованов и земляных сооружений, заполненных водой.

Размываемость — это разрушение грунтов под действием текучих вод. Размываемость зависит от состава грунта, его строения, характера структурных связей, а также степени минерализации и т. д. Размываемость характеризуется критической размывающей скоростью водного потока, при которой начинается отрыв отдельных частиц и их перемещение водой.

Глинистые грунты благодаря  структурным связям менее подвержены размыву, чем мелкозернистые пески  и пылеватые грунты. Критическая  скорость размыва глинистых грунтов  составляет 0,7—1,2 м/с.

Данные о размываемости грунтов необходимы для проектирования водоотводных канав и каналов, а также откосов земляных сооружений.

При устройстве оснований  и фундаментов следует считаться  со способностью некоторых грунтов  к набуханию. Набухание — это  способность грунтов увеличиваться  в объеме в результате поглощения воды. Набухание характеризуется  коэффициентом набухан,я, представляющим собой отношение объема грунта после набухания к первоначальному объему. Ориентировочные значения коэффициентов набухания грунтов следующие:

глина:

тяжелая вязкая

обычная пластичная суглинок:

тяжелый

средний

легкий           

лесс и лессовидный  грунт супеси

песок  пылеватыи

Набухание грунтов также  характеризуется давлением набухания, влажностью набухания и относительной  усадкой при высыхании.

Знание тиксотропных свойств грунтов необходимо при погружении свай, буровых работах, приготовлении глинистых растворов, а также при устройстве фундаментов и подземных сооружений способом «стена в грунте».

Под тиксотропией понимают переход геля в золь и обратно после прекращения воздействия. Тиксотроп-ные явления характерны для глинистых грунтов с коагуляционными связями. Связь между частицами и механическая прочность уменьшаются по мере увеличения влажности грунта,

При нарушении структурных  связей в результате механического  воздействия (вибрация, динамические нагрузки, знакопеременные давления) тиксотропное разрушение может быть полным (разжижение) или частичным (размягчение).

Разрыхляемость — это способность грунта увеличиваться в объеме при разработке вследствие потери связи между частицами, при этом плотность грунта уменьшается. Увеличение объема грунта характеризуется коэффициентами первоначального и остаточного разрыхления. Коэффициент первоначального разрыхления определяют по формуле

Разрыхленныу грунт, уложенный в земляное сооружение, уплотняется. Однако такой грунт не занимает первоначального объема, который он имел до разработки, и сохраняет некоторое разрыхление, характеризуемое коэффициентом остаточного разрыхления /С0.Р, значение которого для песчаных грунтов находится в пределах 1,01 — 1,025; суглинистых 1,015—1,05   и   глинистых   1,04—1,09.

Величина коэффициента Ко р обычно меньше КР на 15—20%.

При устройстве различного рода выемок и насыпей важно знать  допустимую крутизну откосов. Крутизна откосов связана с понятием угла естественного откоса.

Угол естественного откоса — это наибольший угол, который  может быть образован откосом  свободно насыпанного грунта в состоянии  равновесия с горизонтальной плоскостью.

Угол естественного откоса зависит главным образом от гранулометрического  состава и формы частиц. С уменьшением  размера зерен угол естественного  откоса становится положе. Угол естественного  откоса характеризуется физико-механическими  свойствами грунта, при которых грунт  находится в предельном равновесии. Для грунтов, не обладающих сцеплением (сыпучих) , угол естественного откоса равен углу внутреннего трения.

Понятие об угле естественного  откоса относится только к сухим  сыпучим грунтам, а для связных  пылевато-глинистых оно теряет всякий смысл, так как у последних  он зависит от влажности, высоты откоса и величины пригрузки на откос и может изменяться от 0 до 90°.

Практически крутизна откосов  земляных сооружений выражается отношением высоты к заложению (горизонтальной проекции откоса) h:a = = 1 :m, где m — коэффициент откоса.

Строительными нормами и  правилами установлены значения крутизны откосов для постоянных и временных земляных сооружений в зависимости от их глубины или  высоты. Откосы насыпей постоянных сооружений делают более пологими, чем откосы выемок. При устройстве временных выемок допускаются более  крутые откосы.

В связных грунтах крутизна откоса изменяется от максимальной величины в верхней части земляного  сооружения до минимальной +- в нижней, приближаясь к углу внутреннего  трения. В связи с этим откосы высоких насыпей и глубоких выемок устраивают с переменной крутизной, с более пологим очертанием внизу.

Грунты классифицируют по трудности разработки в зависимости  от типа применяемой машины. Классификация  грунтов по трудности разработки в ЕНиР составлена отдельно для немерзлых (I—VI) группы и мерзлых (1м—IVM) грунтов. Разрыхленные немерзлые грунты нормируют на одну группу ниже, чем эти же грунты в массиве, т. е. в неразрых-ленном состоянии. В ЕНиР (Сб. 2. Земляные работы. Вып. I, 1986 г. разд. 1. Техническая часть, табл. 1 и 2) дана классификация грунтов по трудности их разработки в зависимости от видов землеройных машин и свойств грунта.

Для оценки трудности разработки грунта используют показатель удельного  сопротивления резанию (копанию) Кр которое представляет собой отношение касательной составляющей усилия, развиваемого на режущей. кромке ковша землеройной машины, к площади поперечного сечения срезаемой грунтовой стружки.

Значение KF зависит от свойств грунта и конструктивного исполнения рабочего органа землеройной машины.

Распространенной классификацией горных пород по крепости является их классификация по шкале М. М. Протодьяконова. Коэффициент крепости пород по шкале М. М. Протодьяконова составляет одну сотую долю от временного сопротивления одноосному сжатию. Коэффициент крепости / используют для оценки прочности горных пород.

Косвенными показателями прочности грунтов являются скорость их бурения, а также число ударов ударника ДорНИИ.

Буримость — сопротивляемость горной породы разрушению буровым инструментом, которая характеризуется    чистой    скоростью    бурения.

Свойства грунтов оказывают  существенное влияние на трудоемкость устройства забивных и набивных свай.

По трудности погружения свай молотами грунты разделяют на две группы:

I—почвы (растительный слой), торф, пластичные и текучие супеси, суглинки и глины от тугопластичных до текучих лессы от мягкопластичных до текучих без включения гравия и гальки (дресвы и щебня) или с содержанием их до 10%;

II— пески различной  крупности от рыхлых до плотных,  песок пылева-тый, насыщенный водой, гравий, супеси твердые, суглинки и глины, твердые и полутвердые, твердые лессы без крупных включений или с содержанием в них до 30% гравия и гальки (дресвы и щебня) крупностью фракции до 100 мм, также грунта I группы с включением гравия и гальки от 10 до 30%.

При использовании буронабивных свай грунты классифицируют в зависимости  от устойчивости стенок скважин и  трудности бурения грунтов различными способами.

По устойчивости скважин  грунты делятся на две группы:

устойчивые — глинистые  маловлажные грунты (твердые и  полутвердые суглинки и глины, твердые  супеси), а также скальные неразрушенные грунты;

неустойчивые - насыщенные водой, пылевато-глинистые грунты, плывуны, крупнообломочные грунты с песчаным заполнителем, пески и разрушенные  скальнце грунты.

Различные грунты имеют различную  электропроводность, которая имеет  практическое значение при выполнении технологических процессов, связанных  с пропусканием через грунт электрического тока (осушение грунтов и погружение опускных колодцев с помощью электроосмоса, оттаивания грунтов, закрепление грунта с использованием электрического тока и др.). Так как минеральные частицы, входящие   в   состав   грунта,   обычно не являются проводниками, электропроводность зависит от степени насыщения его водой.

В процессе производства земляных работ приходится иметь дело с  явлениями замерзания и оттаивания грудта, а также с закреплением грунтовтермическим способом. Поэтому при проектировании производства работ имеют значение термодинамические характеристики грунтов — их теплопроводность и теплоемкость. Эти характеристики в большей степени зависят от состава и влажности грунта;

Под теплопроводностью понимают способность грунта переносить тепло  от одной поверхности к другой. Теплопроводность твердой, жидкой и  газообразной фаз грунта различна. Наименьший коэффициент теплопроводности имеет воздух и наибольший -^ твердая  фаза грунта. Теплопроводность грунтов  зависит от пористости и влажности. Чем больше пор, не занятых водой, тем меньше теплопроводность. Максимальную теплопроводность имеет грунт при  полном водонасыщении. 

Теплоемкость — свойство грунтов поглощать тепло при  нагревании, характеризуется удельной теплоемкостью с, которая представляет собой количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг грунта на 1 К,Дж/ (кг-К). Под объемной теплоемкостью с0 понимают количество тепла, потребное для нагревания 1 м3 грунта на 1°С. Для различных грунтов удельная теплоемкость составляет 250—900 Дж/(кг-К). Чем суше грунт, тем меньше его теплоемкость.